摘要:針對渦街(jiē)式流速傳感器(qi)中電信号微弱(ruò)并且🚶♀️提取特征(zheng)渦街信号困難(nan)，基于壓電方程(cheng)和湍流N-S方⭐程，建(jiàn)🍉立了流-固-電耦(ou)☔合仿真計算模(mo)型,構建了流速(su)測量的新方法(fǎ)。通過理論分析(xi)和風洞實驗，獲(huo)得了🎯圓柱繞流(liú)體直徑(D)、空氣流(liú)速(v)與壓電傳感(gan)距離()以及🏃🏻♂️功率(lǜ)(P)之間的影響規(gui)律。仿真計算和(he)實驗結果表明(ming):通過提取頻域(yu)曲線中渦激頻(pín)率下的功率作(zuo)爲渦街的傳感(gan)強度,有助于感(gan)知微弱的空氣(qi)流速信号♊,同時(shi)解決噪聲等電(diàn)路上的幹擾影(ying)響。其次,D增加，最(zuì)優傳感距離(Losr)增(zeng)加;D不變時，功率(lǜ)(Posr)随流速增大而(ér)💘提高⭕,且Losr不變;通(tong)過分析得出了(le)🌍采集信号在Losr下(xià)😘最優的本質原(yuán)因一在💚該處，渦(wō)街成熟且脫落(luo)穩定、升力系數(shù)(CL)穩定。最後,該壓(yā)電裝置測量的(de)☎️最低流速爲0.3m/s.
渦(wō)激振動(VIV)是一種(zhong)典型的流緻振(zhen)動(FIV)。結構的非流(liu)線型會🥵導緻其(qí)🏃♂️在流體的作用(yong)力下産生周期(qī)性旋渦脫落,使(shi)結構受🌈到與流(liú)向🔴垂直的周期(qī)性氣動力,進而(ér)激發結構的橫(heng)向振動川由于(yu)流體流速與旋(xuan)渦脫落頻率有(yǒu)對應關系，因此(cǐ)常制作成多種(zhong)空氣流速傳感(gan)器,例如,基于上(shàng)述渦街振動原(yuan)理研制的渦街(jie)流量計
，工業級(ji)的渦街流量計(jì)主要易受環境(jing)噪聲的幹擾🏃🏻♂️,導(dǎo)♊緻其對低速不(bú)敏感。同時,空氣(qì)流速傳感器廣(guǎng)泛應用于畜禽(qín)舍環境控制,風(fēng)能采集,流量檢(jian)測,氣象監控,等(deng)領域[2-4]。例♊如,在畜(chù)禽環境監測領(lǐng)💘域,通風時流速(sù)太快引📱起畜禽(qín)強烈的應激反(fan)應或因局部溫(wēn)度㊙️驟降導緻畜(chu)禽強感冒，或造(zào)成畜禽的✌️生産(chan)性能、免♌疫能力(li)、生長速度等下(xià)降'因此,對畜禽(qin)舍通風裝置的(de)流速檢📐測尤其(qí)☎️重要。傳.統FIV傳感(gǎn)器多采用機械(xiè)轉動結構,其結(jié)構複雜,對加工(gong)精度和機械穩(wen)定性都有較高(gao)的要求7。而近.年(nian)來利用壓電材(cai)料作傳感元件(jiàn)研制的FIV傳感器(qì)，其不需要轉動(dòng)部件,且叮與微(wei)機🔴電系統(MEMS)集成(chéng)❄️,因此易于微型(xíng)化。
目前,VIV傳感器(qì)主要采用兩種(zhǒng)壓電材料作爲(wei)傳感元件:锆钛(tai)酸鉛⛹🏻♀️壓電陶瓷(cí)(PZT)和聚偏二氟乙(yi)烯(PVDF)。PVDF薄膜由于其(qí)高柔性的特點(dian),适用于交變載(zai)荷的感知121。然而(er),壓電式流🔞渦激(jī)振動(PVIV)流速🔞傳感(gan)器還有許多不(bu)完善的地方。特(te)别是檢測低🌍流(liu)場流速時(流速(sù)低于2m/s),渦街壓🐉電(diàn)信号微弱,同時(shi)測量現😍場的噪(zao)聲十擾相對較(jiào)強🌈,造成渦街特(te)征信号提取的(de)困✨難。比如測量(liàng)過程中，壓電元(yuán)件自身受👨❤️👨流場(chǎng)擾👅動産生的信(xìn)号、風洞系統産(chan)🌈生的噪聲信号(hao)等✔️,會把渦街特(tè)征信号淹沒。針(zhēn)對這一問題,許(xu)多學者對PVIV流速(sù)傳🔞感器展開了(le)全🆚面的研究,如(ru)繞流體的❌形狀(zhuang)和排布、電路檢(jiǎn)測🍉方式以及🆚信(xìn)号提取方法17-19,提(ti)高了空氣流速(su)測量精度和範(fàn)圍。
PVIV流速傳感器(qì)的結構采用圓(yuan)形或梯形旋渦(wo)繞流體和PZT或PVDF薄(báo)膜爲傳感元件(jiàn)組成。研究發現(xiàn),改變繞流體直(zhi)徑會導🐉緻繞流(liu)與傳感器元件(jiàn)之間的距離不(bu)同。這表明,漩渦(wo)測量位置⭐和繞(rao)流體直徑将影(ying)響PVIV檢測精度。針(zhēn)對㊙️上述問題🍓,提(tí)出了一種基于(yu)PVIV流速傳感裝置(zhi)。該裝置由💔圓柱(zhù)繞流體和PVDF壓電(diàn)懸臂梁組成。利(li)用數值模拟方(fāng)法♌研究渦街流(liu)場特性,分析傳(chuan)感器結構參數(shu)對渦街響應信(xìn)号檢測的影響(xiǎng)規律。采用通😘過(guò)提取頻域曲線(xiàn)中渦激頻率下(xia)的功率作爲渦(wō)街的傳感強度(du),增強了感知微(wēi)弱的流速響應(ying)信号,月能夠解(jiě)決噪聲等電路(lù)上的幹擾影響(xiǎng),擴🌐大了對低流(liú)速的檢測能力(lì)。爲高靈敏✍️.快響(xiang)應的空氣流速(sù)傳感器件的設(she)計及測量提☀️供(gòng)新的探測方法(fǎ)。
1壓電渦激振動(dong)流速傳感裝置(zhì)
1.1傳感結構
本文(wén)PVIV流速傳感裝置(zhi)的結構如圖1所(suǒ)示。該結構由圓(yuan)柱繞流體和PVDF壓(ya)電懸臂梁構成(cheng),其.中懸臂梁由(you)表面塗有銀電(diàn)極層的PVDF薄膜組(zǔ)✉️成;同時,靠近圓(yuán)柱繞流體一側(ce)的PVDF壓電懸臂梁(liang)端部固支。圓柱(zhu)繞流體直徑D=7mm,圓(yuán)柱體中心距PVDF壓(ya)電懸臂梁固支(zhī)端距離爲L,人射(she)流速爲v,其方向(xiàng)垂直于圓柱體(tǐ)表面。仿真計算(suàn)時,D值的範圍爲(wei)30mm~70mm,u值範圍爲0.3m/s~2.5m/s,L值的(de)範圍爲50mm~170mm。爲🌏了簡(jiǎn)化計算和控制(zhi)多餘變量,PVDF壓電(dian)懸臂梁高度h設(shè)定爲30mm。當外界來(lái)流作用時,PVDF壓電(diàn)懸臂梁結構産(chǎn)生振蕩,根據壓(yā)電效應,壓🔴電層(céng)的變形使其衣(yi)面聚集電荷,形(xing)成響應電壓。
1.2流(liú)-固-電耦合模型(xing)
由于氣流經圓(yuán)柱體産生渦旋(xuán)後,後方的氣流(liú)流動基本處于(yu)湍流狀态,流場(chǎng)的分布複雜,因(yīn)此,結合計算流(liu)體力學(CFD)以及壓(ya)電效應進行數(shù)值模拟,分析繞(rao)流體直徑、與壓(yā)電傳感距離對(duì)📐低空氣流速檢(jian)測的😘影響規律(lǜ)⁉️。
1.2.1理論模型
壓電(dian)傳感結構感知(zhī)流體流動是--個(gè)多物理場耦合(he)的複雜過程,主(zhu)要包括流場、力(lì)場.和電場的綜(zōng)合作💃用。流場産(chan)生的壓強轉化(hua)爲壓力作用在(zai)懸臂梁表面産(chan)生結構變形并(bìng)引起其壓電層(ceng)變形,根據壓電(diàn)效應産生電荷(hé),計算模型中通(tōng)過機電耦合方(fang)式将産生的電(diàn)荷全部聚集在(zài)懸臂梁表面,最(zuì)終轉化爲瞬态(tai)電壓。變形♌體形(xíng)狀的改變将改(gai)變流場,其⁉️中的(de)流固耦合面可(kě)由☔振動和流場(chǎng)控制🌈方程水描(miáo)述,當流場流速(sù)小于0.3馬赫，流場(chang)被認爲是不可(ke)壓縮，這種🌈不可(ke)壓縮的牛頓流(liú)體介質可由連(lian)續性方程(1)和N-S(Navier-Stokes)方(fāng)🐉程(2)描述，方程如(ru)下所示:
1.2.2仿真計(jì)算
将上述PVIV流速(su)傳感器簡化爲(wei)一個二維物理(lǐ)模型,如🔴圖2所示(shi),其中.D爲圓柱型(xíng)渦流發生休直(zhi)徑,計算域爲25Dx5D的(de)矩形,壓電懸臂(bì)梁位于圓柱的(de)中軸線上.左端(duan)固支。模型中,範(fan)圍在0.3m/s~2.5m/s,D範圍在30mm~70mm,即(ji)雷諾數在😘500~9800之間(jiān)。選取空氣域材(cai)料參數,采用SIMPLE求(qiú)解器,進行瞬态(tai)分析,計算材✔️料(liào)參數如表1所示(shi)。采用二角形非(fēi)結構化的網格(ge)劃分,在圓柱和(he)PVDF壓電梁的核心(xīn)區域網格分布(bù)較🧑🏽🤝🧑🏻密集。
2風洞試(shi)驗
試驗在低速(su)風洞進行,測試(shi)平台如圖3所示(shì)。采集的壓電信(xìn)号通過電荷放(fàng)大器與NI數據采(cǎi)集卡相連,運用(yòng)LabVIEW對信号進行ADC數(shù)模轉換、濾波,頻(pín)譜分析(FFT變換);通(tong)過激光位移傳(chuán)感器采集🈲渦激(ji)振動時壓✔️電梁(liáng)末端的👣y向位移(yi)。最終在計算機(ji)中顯示PVDF壓電梁(liáng)振動的時域🐕曲(qu)線和頻譜曲線(xiàn)。重點探尋壓電(dian)傳感距離在不(bu)同🧑🏾🤝🧑🏼圓柱繞流體(tǐ)直徑尺寸和流(liú)速變化的條件(jian)下對流場感知(zhī)特性的影響規(guī)律。試驗條件如(rú)表2所示。實驗中(zhōng),由50nmmn到170mm,間隔10mm依次(ci)測量不同距離(lí)下的渦🌏街響應(ying)信号。
3計算與測(cè)試結果分析
通(tong)過卡門渦街理(lǐ)論,獲得了渦街(jie)産生的流速條(tiao)件和圓柱💃🏻繞㊙️流(liú)體直徑範圍
式(shi)中:μ爲空氣動力(lì)學粘度,St爲斯特(te)勞哈爾數,ƒ爲渦(wo)街脫落頻率。當(dang)🔞雷諾數在的範(fan)圍内，渦流會以(yi)一個相對穩定(ding)的頻率周期性(xing)脫落,根據流速(su)條件和圓柱百(bǎi)徑範圍,可得出(chu)在該條件下的(de)雷諾數範圍爲(wèi)500~9800,滿足産生渦街(jiē)脫落的條件。
圖(tú)4爲流速爲2m/s,圓柱(zhù)直徑爲30mm下,産生(shēng)渦街脫落的特(te)性。由圖🐕叮🛀🏻知,渦(wo)街的交替脫落(luò)需要經曆一個(gè)生長、成熟.衰退(tuì)的過程。PVDF壓電懸(xuán)臂梁因此生信(xìn)号的傳感強度(du)與傳♋感距離有(yǒu)關,由此驗證了(le)木文利用渦街(jiē)傳感的合理性(xing)。
圖5展示了升/阻(zu)力系數與傳感(gan)距離和雷諾數(shu)的關系，文🌏中PVDF壓(ya)電懸臂梁左端(duan)固支,自由端在(zài)渦流中受到旋(xuán)渦激振力的作(zuò)用而産生y方向(xiang)的周期性振蕩(dang)。圖5(a)爲Re=838,L=50mm時🈚的流場(chǎng)升/阻力曲線,由(you)圖可知⁉️，在計算(suan)時間約3s~5s流場基(jī)本穩定。圖5(b)升力(lì)系數與雷諾數(shù)Re,1.之間的仿真關(guān)系。可知🤟随Re增大(dà),流場湍流強度(du)增💘強,此時壓電(dian)👌懸臂梁表面所(suǒ)🌈受的壓力增加(jia)，升力增大,在L=50mm時(shí),幅值🏃♀️達1.1。值得關(guan)注的是，在相同(tong)🙇♀️雷諾數下,随傳(chuan)感距離的增大(da),升力系數随之(zhi)下降,升力場呈(cheng)現🔴衰減的現象(xiàng)。其中,在L=50mm,即樂電(dian)懸臂梁🌈與圓柱(zhù)繞流體之間距(jù)離最㊙️近時,其升(sheng)力系數🆚最高,反(fan)映流場波動最(zui)劇烈,其原因是(shì)懸臂梁的位置(zhi)在渦街⭕生長區(qū)，因此壓電懸臂(bì)梁靠近圓柱體(tǐ)區城出現渦旋(xuán)回流,造成的壓(yā)力對壓電懸臂(bì)🏃梁的受力和振(zhèn)動産生增強❤️的(de)作用。此外,1.=50mm~70mm範圍(wei)内,升力系數曲(qu)線整體下降不(bú)🐪明顯;L=70mm-110mm範圍内,升(shēng)力系數曲線出(chū)現交🌈叉的現象(xiàng),說明該區域流(liú)場波🌈動變化相(xiang)似,此時PVDF壓電懸(xuan)臂梁的位置往(wǎng)往是滿街成熟(shú)區,适于形成穩(wen)定的滿街;L=110mm~130mm範圍(wei)内,共升力系數(shu)曲線整體下降(jiàng)明顯💰,場流動性(xìng)大幅下降,此時(shí)雷諾數爲600,其升(shēng)刀系數下降至(zhi)0.3,此時懸臂梁的(de)位置往往是渦(wo)街衰退區。
圖6展(zhǎn)示了在流速爲(wèi)2m/s,圓柱直徑爲30mm條(tiao)件下,傳感器件(jiàn)位移響應特性(xing)。由圖可知,流場(chǎng)作用3s後,懸臂梁(liáng)産生的y方🧑🏽🤝🧑🏻向振(zhen)蕩逐⛱️漸穩定,該(gai)結果驗證了圖(tu)5(a)中流場升/阻力(lì)與❄️時間的關系(xì)。受渦街作用,懸(xuán)臂梁自由端部(bu)産生的y向位移(yi)最大🐕;對比圖5中(zhong)🈲計算位移㊙️曲線(xiàn)和通過激光位(wèi)移傳感器測得(de)的實驗位移🔆曲(qǔ)線發現,實際測(cè)量的振蕩曲線(xian)的幅值略小于(yú)計算幅值,同時(shi)前者的震🛀🏻蕩頻(pín)率(13.8Hz)略小于後者(zhě)産生💋的震蕩頻(pín)率(14.0Hz),原因在于計(ji)算設置的✔️阻尼(ni)比與實際值有(yǒu)誤差，然而由于(yú)誤差❌較小，實際(ji)測量的震蕩曲(qu)線與計算🆚的到(dao)的大緻--緻,因此(ci)證實本文中流(liú)固耦合計算的(de)正确❤️率。
圖7給出(chū)了圓柱繞流體(ti)直徑爲30mm時,人射(she)流速與PVDF懸臂梁(liáng)感知渦街♉頻率(lü)之間的關系。主(zhǔ)要對比卡門渦(wō)街理論值,仿真(zhen)計算值與實驗(yàn)值。如圖可知,計(ji)算值相比理論(lun)值,其與實驗值(zhi)更爲接近,其更(gèng)加正确的反映(yìng)實際情🔱況下的(de)渦激振動時産(chǎn)生的渦街現象(xiang),進㊙️--步說明本文(wen)仿真計算的⛷️合(hé)理。其中,流🔞速爲(wèi)1m/s時的實驗與計(jì)算時✏️域曲線(圖(tu)7(b)和7(c))可知,仿真計(jì)算下的PVDF壓電懸(xuán)臂梁産生的電(dian)壓響應信号穩(wen)定,在渦街穩定(dìng)後其電壓幅值(zhí)随時間👉幾乎恒(heng)定.這說明🏃♀️此時(shí)懸臂梁在y方向(xiàng)的振蕩幅值穩(wěn)定;而對比圖7(b)可(kě)知,實際條件🏃下(xia)采集的電壓時(shi)域曲線在幅值(zhi)大小上随時間(jiān)波🐕動較爲明顯(xian),即周期内的Ux-Ug值(zhí)往往不穩定,在(zài)該曲線🔞上會疊(dié)加包括電路幹(gàn)擾,工頻十擾,以(yi)及流場對壓電(diàn)梁産生的x方向(xiàng)的振動影響。在(zai)此情況下,若根(gēn)據前人叫采用(yòng)提取電壓的Ux-Ug值(zhi),0-Ug值或U....的方法來(lái)表征壓電梁感(gǎn)知渦街的特性(xìng)往往并✂️不正确(què)♊,而通過提取功(gōng)率的方法更爲(wei)正确,因此本文(wen)采用通🙇🏻過提取(qu)頻域曲線中渦(wō)激頻率下的功(gong)率表征渦街的(de)傳感強📱度。此外(wai),由圖7可知,仿真(zhen)中，PVDF壓電懸臂梁(liáng)可檢測的流速(sù)爲0.3m/s,此時該懸臂(bi)梁産生的📐振動(dòng)約爲2.0Hz,該✍️值與理(li)論✊值及實驗值(zhí)接近，進🏃一步說(shuō)明了本🌍文仿真(zhen)計❗算的💘合理。
圖(tu)8爲傳感強度(功(gōng)率P)在不同傳感(gǎn)距離下的分布(bu)曲線。給出了🌏D=30mm,人(ren)射流速依次爲(wèi)0.5m/s,1.0m/s,2.0m/s時的實驗及計(jì)算結果。同時根(gēn)據式(8),P值由對應(ying)時城曲線通過(guo)傅裏葉變換(FFT)轉(zhuan)換而🤩來。
圖8(a)可知(zhī),同一繞流體直(zhí)徑下,流速越大(da),其P随傳感位👣置(zhì)💚的♍變化規律基(jī)本一緻,即均在(zài)L爲90mm附近最大.反(fan)映出在相同區(qu)域❗PVDF壓電梁測量(liang)的信号強度達(dá)到最大:同時反(fǎn)⛷️映,傳感距離(L.)與(yǔ)人射流速大小(xiao)無關,分析原因(yīn).根據卡門渦街(jie)理論.認爲這是(shì)由于渦街交替(ti)脫落時旋渦方(fang)♋向對壓電梁産(chan)生的影響，即旋(xuán)渦y方向的速度(dù)引起振㊙️蕩作用(yong)(參考圖9周期内(nèi)的y方向流場速(sù)度可知),與x方向(xiàng),即人射流速方(fāng)向無關。值得注(zhu)意👄的是,由圖8(b)~圖(tu)8(d)發現,在相同直(zhí)徑下,随流速增(zēng)大,流場對壓電(diàn)梁産生的激頻(pín)成分更爲複雜(zá),這與圖5(b)相符,即(jí)随Re增大,流場湍(tuān)流強度增強,反(fǎn)映流場波動更(geng)加劇烈。但是對(dui)于産生渦街⛱️的(de)🏒頻率穩定且與(yǔ)理論(式(10))一緻,進(jìn)一步說明了本(ben)文采用功率來(lái)表征傳感強度(du)的合理🔱性。此外(wài),觀測圖8(a)可知,L超(chāo)過110mm時,P值均下降(jiang),分析原因,根據(jù)渦街理論,由于(yú)黏性的耗散.此(ci)時旋渦逐漸衰(shuai)退,所以的傳感(gǎn)位置應在渦街(jiē)的成熟區附近(jìn)。
圖10爲傳感強度(dù)(P)在不同傳感距(jù)離下的分布曲(qǔ)線,展😘示了低流(liu)速情況下，即ʋ=1m/s,繞(rao)流體直徑依次(ci)爲30mm,40mm,50mm時的實🌏驗及(ji)計算💛結果。由圖(tú)10(a)可知,P随傳感距(ju)離L的分布規律(lü)有所不同。當D越(yue)👉大..，越大,即旋渦(wō)越遠離繞流體(tǐ)。例如當D=30mm時(.=90mm;當D=40mm時(shí)🐅,L=110mm;當D=50mm時,Lm=130mm。值得注意(yì)的是💘,由圖10(b)~圖10(d)發(fā)現,在相同💚ʋ下,随(suí)D值增大.流場對(duì)壓電梁産生的(de)激🈚頻成分更少(shǎo)🏃♂️,分析原因,可能(neng)是由于随着D值(zhí)增.大,在CCT兩側産(chǎn)生的交替旋渦(wō)相互之✨間的作(zuo)用減小，使得流(liu)場的波動🌈減小(xiao)所導緻的。
圖11展(zhan)示了當r=0.5m/s,D=30mm時,--個振(zhen)動周期下渦街(jie)壓強雲紋圖以(yi)及懸臂✍️梁的變(biàn)形情況。可以直(zhí)接看出,懸臂梁(liáng)在渦街中🔱受到(dao)周期下的✏️漩渦(wo)激振力而産生(sheng)振蕩現象。其中(zhōng)懸臂梁兩側的(de)壓強差是導緻(zhi)懸臂梁的偏轉(zhuan)的直接原因,而(ér)壓強差是由于(yu)♊渦街通過懸臂(bì)梁産🥵生的。與此(cǐ)同📐時,壓強差産(chan)生了流場的升(shēng)力.使得懸📐臂梁(liáng)得到了向上及(jí)向下運動的加(jia)速度。不僅如此(cǐ),懸臂梁自由端(duan)振幅随時間的(de)增長最快,達到(dào)最大振☎️幅時,振(zhen)動速度最小。此(cǐ)外,一個振動♈周(zhou)期内,懸臂🎯梁産(chǎn)生了兩次振動(dòng)方向的改變,使(shi)得懸臂梁周圍(wéi)🈲流場也發生了(le)周期性的⛱️改變(bian)，PVDF樂電懸臂梁與(yǔ)流場的相互作(zuò)用形成了較爲(wei)穩🙇🏻定的振動規(guī)律,振動周期保(bǎo)持不變。
圖12爲傳(chuan)感距離與流速(su)及繞流體直徑(jìng)之間的計算及(jí)實驗關系。由圖(tu)12(a)可知随D值增大(dà)逐漸增加，且近(jìn)似線性關系🚶♀️。同(tong)時💯,測量曲線與(yǔ)計算曲線--緻。分(fèn)析原因，根據圖(tú)4及式(10),最住傳感(gǎn)距離應該在旋(xuan)渦的成熟區,D增(zēng)大時,其兩側剪(jiǎn)切層之間距離(li)變大,其相互作(zuò)用💰變慢,使漩渦(wō)的脫落頻率減(jian)小，使得旋渦産(chǎn)生位置距繞流(liú)體越遠,即最住(zhu)檢測位置越遠(yuǎn)離圓柱繞流體(ti)。由圖12(a)進一-步可(kě)知,與ʋ無👌關,這與(yǔ)圖8(a)的分布曲線(xian)一緻㊙️。
圖13爲傳感(gan)距離下的P值(P..)與(yǔ)o,D之間的計算及(ji)實驗關系。由圖(tú)13(a)可知✨,P.随🌈。增大而(ér)遞增,同時随D增(zeng)大而遞增;同時(shi)，測量曲線😄與計(jì)🤩算曲線保持-緻(zhi)。分析原内.根據(jù)式(9),由✍️Re與txD成正比(bǐ)關系🏃♂️,Re增加，導緻(zhì)其升力系數增(zēng)大,即反映流場(chang)波動🥰越劇烈,此(ci)時結構表面所(suo)受壓力增加,導(dǎo)緻PVDF壓電梁的振(zhen)蕩幅值變🐪大,産(chǎn)生的壓電功率(lǜ)越高。其中圖13(b)顯(xian)示,當v=2.5m/s,D=70mm.,P..約爲10x10*mW;當0=0.5m/s,D=30mm,P.約(yue)爲8x102mW。可📐推測,若流(liu)速和直徑同時(shí)分别小于0.5m/s和30mm,産(chǎn)生的P..，将小于8x10*mW。然(rán)而如果用時域(yù)電🌈壓的Ua-U。值、0-U2值或(huò)U的方法來表征(zheng)壓電梁感知渦(wo)街的特性往往(wǎng)會被噪聲幹擾(rao),難以提取特征(zheng)量。這👌也進㊙️一步(bu)證明了木文采(cǎi)用提取功率來(lai)表征🌍渦街在傳(chuán)感距離上傳感(gan)強度的合理性(xing)。
4結論
設計和研(yán)究了一種基于(yu)渦激振動的壓(yā)電傳感裝置🌏。通(tong)過響應💰信号分(fen)析了傳感距離(li)和功率與繞流(liu)體直徑和流速(sù)的變化規律。建(jian)立了流-固-電耦(ou)合數值模型,構(gòu)建了流速測量(liàng)的新方法。采用(yong)通過提取♻️頻域(yu)曲線中渦激頻(pin)率下的功率作(zuo)爲渦街的傳感(gan)強度。實驗和仿(páng)真結果表明:增(zeng)大繞流💋體直徑(jìng)可以使傳感距(ju)離🐇和☀️功率線性(xing)增加;然而,在傳(chuán)感距離不變的(de)情況下,增大流(liu)速可以提高功(gong)率。通過流場分(fen)析得出了采集(ji)信号☂️在Lm下最優(yōu)的木質🙇🏻原内爲(wei):在該處,渦街成(cheng)熟且脫落穩定(ding),升力系數穩定(ding)。此外,風洞💰實驗(yan)驗證該基于渦(wo)激振㊙️動的柔性(xing)壓電懸臂梁流(liú)速感知特性㊙️。結(jie)果表明:該✌️傳感(gan)器件能有效地(dì)測量低至🎯0.3m/s流速(sù);當ʋ=2.5m/s,D=70mm,P...約爲10x10*mW;當ʋ=0.5m/s,D=30mm,P.約爲(wei)8x102mW。該提取渦街信(xin)号的方法和規(guī)律可✏️以解決傳(chuan)統的渦街信号(hao)微✍️弱以及低流(liu)速難測:量的問(wen)題,擴大了該類(lei)流速傳感器的(de)應用✨範圍,快響(xiang)應的流速傳感(gan)器件的設計及(ji)測量提供了新(xin)的探測方法。
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